0 前言

    隨著電力建設(shè)的步伐加快，電網(wǎng)金屬材料的使用量也大幅增加。與此同時，變電站暴露出愈來愈多的大氣腐蝕問題，涉及到鋼、鋁、銅、鋅及其合金等各種金屬材料。其中，鋁是電網(wǎng)中使用量最大的有色金屬，具有較好的耐蝕性能，但服役于電網(wǎng)的輸變電設(shè)備大多直接裸露于大氣環(huán)境之中，受大氣中腐蝕性介質(zhì)的影響，鋁及鋁合金材料不斷遭受侵蝕和破壞。

    特別是在高溫、高濕、高鹽分的海洋性大氣環(huán)境中，鋁及鋁合金的腐蝕問題更加嚴(yán)重。鋁及鋁合金材料的腐蝕失效對運行中的輸變電設(shè)備構(gòu)成重大安全隱患，而有效的防腐蝕措施能夠?qū)斪冸娫O(shè)備進行保護，延長設(shè)備的使用壽命，保障電網(wǎng)的健康、穩(wěn)定運行。目前對變電站金屬材料腐蝕問題的研究多集中在碳鋼、鍍鋅鋼和銅上，針對鋁及鋁合金材料的腐蝕研究相對較少。本文首先介紹了鋁及鋁合金材料在變電站中的應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上總結(jié)了變電站鋁及鋁合金的大氣腐蝕影響因素和常見的腐蝕部位。同時在實際腐蝕案例中分析了變電站鋁及鋁合金的腐蝕原因和腐蝕類型，并給出了一些腐蝕防護的建議，以期為相關(guān)工作的開展提供一定的參考。

    1 鋁及鋁合金在變電站中的應(yīng)用

    鋁及其合金具有質(zhì)量輕、強度高、導(dǎo)電、導(dǎo)熱能力強、塑性加工性能好、價格低廉等優(yōu)點，作為導(dǎo)電體或結(jié)構(gòu)材料在電網(wǎng)中得到了廣泛地應(yīng)用。一座高壓 HGIS 和中壓 GIS 裝配方式的 500kV 變電站用鋁量能達(dá)到 200 噸左右，這還不包括母線、設(shè)備外殼的用鋁量。其中鋁使用量較多的輸變電設(shè)備有空心電抗器、斷路器、電容器、互感器、避雷器、隔離刀閘、電力金具以及 GIS（氣體絕緣全封閉組合電器）等，如表 1 所示。常用的鋁及鋁合金材料有純鋁、防銹鋁、硬鋁、超硬鋁、鍛鋁、鑄造鋁等幾種，按其不同的電氣性能和機械性能應(yīng)用于輸變電設(shè)備的不同部位。比如在高壓隔離開關(guān)上，可用純鋁、鍛鋁做為導(dǎo)電零部件（導(dǎo)電板、導(dǎo)電管），防銹鋁做結(jié)構(gòu)件，硬鋁做軸系零件，鑄造鋁做基座等 。

    2 鋁及鋁合金的大氣腐蝕

    2.1 大氣腐蝕影響因素

    鋁及鋁合金的大氣腐蝕是一種特殊形式的電化學(xué)腐蝕，主要是材料與大氣中的 H ₂ O、O ₂ 及腐蝕性介質(zhì)聯(lián)合作用而發(fā)生的電化學(xué)破壞。材料表面 H₂ O、O ₂ 的分布與含量受氣候因素影響，包括大氣的相對濕度、溫度、日照時間、降雨等。其中大氣相對濕度是影響鋁合金腐蝕的一個非常重要的因素，鋁的腐蝕臨界相對濕度約在 70% ~ 80% 之間，當(dāng)環(huán)境的相對濕度達(dá)到此值時，鋁合金的腐蝕速率會迅速增加。腐蝕性介質(zhì)主要來源于大氣污染物，包括固體和氣體兩部分，固體污染物有灰塵、NaCl、ZnO 等，氣體污染物有 S、C、N 等元素的氣體。其中，氯離子（Cl - ） 沉積和二氧化硫 （SO ₂ ） 污染對鋁及鋁合金材料的腐蝕影響最大 。氯離子具有強烈的穿透性，能夠吸附在鋁材表面氧化膜的不完整或缺陷處，與氧化膜（主要成分為 Al（OH） ₃ ） 發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致氧化膜減薄，最終使金屬基體發(fā)生腐蝕溶解，反應(yīng)機制如下：

    二氧化硫極易溶于水形成亞硫酸，電離后使鋁合金表面薄液膜呈酸性。酸性條件下，鋁合金表面氧化膜容易被破壞，基體裸露發(fā)生腐蝕溶解，反應(yīng)機制如下：

    2.2 常見腐蝕部位

    從相關(guān)文獻報道和實際生產(chǎn)的檢修記錄來看，變電站內(nèi) GIS 穿墻套管、隔離刀閘和電流互感器導(dǎo)電管、設(shè)備線夾等鋁制的零部件多有發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。

    目前 GIS 生產(chǎn)廠家大多采用鋁鎂系合金或鋁硅鎂系鑄鋁合金生產(chǎn)穿墻套管。圖 1 為 GIS 穿墻套管的腐蝕現(xiàn)場圖，其腐蝕深度較淺，周邊有大量白色腐蝕產(chǎn)物，呈現(xiàn)出明顯的點蝕特征。點蝕的隱蔽性較強，但破壞性巨大，一旦腐蝕穿透套管殼體，可能導(dǎo)致氣體的泄漏，進而危及到設(shè)備的安全運行。GIS 穿墻套管的腐蝕與密封擋板、封堵材料、表面涂漆以及雨水的浸入等因素密切相關(guān)。

    圖 2 為電流互感器一次導(dǎo)電 U 型鋁管外露部分發(fā)生腐蝕的現(xiàn)場圖，圖中可以看到鋁合金材料出現(xiàn)了鼓包、開裂和剝落，是典型的鋁合金剝蝕現(xiàn)象。剝蝕會導(dǎo)致材料強度和塑性的大幅下降，縮短材料使用壽命的同時埋下了重大安全隱患。研究表明，對鋁合金剝蝕產(chǎn)生重要影響的因素有兩個，即材料的晶間腐蝕敏感性和腐蝕產(chǎn)物所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，在晶間腐蝕與內(nèi)應(yīng)力的協(xié)同作用下，拉長變形的扁平晶粒向外鼓起，使材料表面出現(xiàn)鼓包，并最終被一層一層地腐蝕剝開。

    導(dǎo)電桿是隔離刀閘的重要部件之一，一般多采用導(dǎo)電性能好、強度較高且重量輕的鋁合金材料。但隔離刀閘的導(dǎo)電桿一直是變電站腐蝕的高發(fā)部位 ，甚至發(fā)生過導(dǎo)電桿直接腐蝕斷裂的事故。圖 3 中的鋁合金導(dǎo)電桿出現(xiàn)了應(yīng)力腐蝕開裂，這是材料在應(yīng)力和腐蝕的共同作用下產(chǎn)生的失效現(xiàn)象，應(yīng)力主要包括外加載荷，殘余應(yīng)力和腐蝕產(chǎn)物在局部產(chǎn)生的楔形力等。在海洋性環(huán)境下鋁合金具有較高的應(yīng)力腐蝕敏感性，所以相對于內(nèi)陸地區(qū)，沿海地區(qū)隔離刀閘導(dǎo)電桿的腐蝕現(xiàn)象更為常見，腐蝕程度也更嚴(yán)重 。

    銅鋁過渡設(shè)備線夾是利用釬料將鋁板和銅板釬焊在一起的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在實際運行環(huán)境下，水汽及腐蝕性介質(zhì)容易在銅鋁焊縫處的空隙、裂紋中聚集，形成電解液。又因為鋁的電極電位比銅更負(fù)，兩種金屬構(gòu)成宏電池，產(chǎn)生電偶電流，加速鋁的腐蝕溶解。腐蝕在線夾表面生成腐蝕產(chǎn)物層，使其導(dǎo)電性能變差，接觸電阻增加，導(dǎo)致溫度升高，從而加劇線夾的腐蝕，嚴(yán)重時造成線夾的燒毀和斷裂，如圖 4 所示。

    3 腐蝕案例分析

    某 220kV 濱海變電站內(nèi)六氟化硫電氣設(shè)備的氣體閥塊出現(xiàn)較大范圍的銹蝕，并有部分腐蝕產(chǎn)物剝落，如圖 5 所示。為深入分析其發(fā)生腐蝕的原因，從氣體閥塊上截取腐蝕試樣進行化學(xué)成分分析和腐蝕產(chǎn)物分析，并用掃描電鏡觀察其表面微觀形貌。

    3.1 化學(xué)成分分析

    利用德國 Bruker 公司的 Quantax 400 能譜分析儀對腐蝕試樣進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表 2。參照GB/T 3190-2008《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》，該氣體閥塊材質(zhì)為鋁合金，應(yīng)屬于 Al-Cu-Mg-Si 系，即2xxx 系鋁合金的一種。

    3.2 表面微觀形貌

    采用日本 Hitachi 公司 S-3700N 掃描電鏡觀察腐蝕試樣的表面微觀形貌。從圖 6 中，能清晰地看到試樣表面的蝕孔及其周邊的白色腐蝕產(chǎn)物。當(dāng)蝕孔逐漸變深，腐蝕行為發(fā)展到表層以下的高度定向的層狀晶粒位置時，晶間腐蝕就會沿著平行于表面的狹長晶界發(fā)展。而 Al-Cu-Mg-Si 系鋁合金的主要強化相為θ（CuAl 2 ） 相和 S（Al 2 CuMg） 相，θ 相和 S 相的電極電位差較大，存在著晶間腐蝕的傾向。如圖 7 所示，觀察到材料內(nèi)部拉長而變形的晶粒，這是剝蝕發(fā)生的條件之一。在晶間腐蝕和腐蝕產(chǎn)物產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的聯(lián)合作用下，拉長變形的扁平晶粒向外鼓起，使材料表面生成鼓包，腐蝕開裂后與基體出現(xiàn)層狀分離。

    3.3 腐蝕產(chǎn)物分析

    利用能譜儀分析試樣表面腐蝕產(chǎn)物中的元素成分，結(jié)果如圖 8 所示。同時利用德國 Bruker 公司 D8Advance 型 X- 射線衍射儀對腐蝕產(chǎn)物進行分析，并用 PCPDF 和 Jade 軟件進行 X 射線衍射結(jié)果的標(biāo)定，結(jié)果如圖 9 所示。綜合 EDS 和 XRD 分析的結(jié)果可知，鋁合金閥塊的主要腐蝕產(chǎn)物為 Al（OH） 3 和 AlOOH，而氯元素和硫元素以一定的比例存在，表明變電站大氣環(huán)境中含有氯離子和硫化物。它們在材料表面沉降溶解，導(dǎo)致基體發(fā)生腐蝕，生成腐蝕產(chǎn)物，是影響鋁合金大氣腐蝕的主要因素，這與前文的分析是一致的。

    4 腐蝕防護對策

    變電站鋁及鋁合金材料的腐蝕愈發(fā)嚴(yán)重，迫切需要一套符合變電站自身特點的腐蝕防護體系來最大限度地降低腐蝕可能帶來的損失。但這是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要綜合考慮各方面的影響，比如在變電站設(shè)計階段就要開展選址、選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及環(huán)境評價等工作。在這里僅從選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及涂層保護簡要介紹變電站鋁及鋁合金的腐蝕防護對策。

    4.1 正確的選材及結(jié)構(gòu)設(shè)計

    材料的選擇需要考慮環(huán)境條件、受力情況、設(shè)備歷史使用情況、經(jīng)濟性等因素的影響，要有針對性、因地制宜地選擇材料，才能取得理想的防腐效果。比如，輸變電設(shè)備外殼和隔離刀閘導(dǎo)電桿在設(shè)計中不宜采用具有較強晶間腐蝕敏感性的 Al-Cu 系硬鋁合金，包括 2xxx 系和 7xxx 系合金，可改用耐蝕性能較好的5xxx 和 6xxx 系合金。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計對腐蝕的控制同樣十分重要。在設(shè)計中考慮到可能出現(xiàn)的腐蝕形態(tài)，做好各種零部件材料的選配和絕緣：在容易出現(xiàn)縫隙的部位可以通過增加橡膠墊片或焊接等措施加以消除；若無法避免形成縫隙，應(yīng)設(shè)計結(jié)構(gòu)能妥善排流，以便出現(xiàn)沉積物時能及時清除；在設(shè)備線夾安裝過程中控制螺栓的預(yù)緊力，或改變線夾與導(dǎo)線接觸方式，消除可能發(fā)生的應(yīng)力腐蝕等等。

    4.2 涂層保護

    表面涂漆仍是變電站金屬材料最經(jīng)濟有效的防腐手段之一。變電站鋁及鋁合金材料應(yīng)根據(jù)服役環(huán)境、設(shè)備結(jié)構(gòu)、施工條件、經(jīng)濟效益等設(shè)計適用的防腐涂層體系。鋁合金表面的涂層保護體系一般包括三層 ：第一層為轉(zhuǎn)變層，起增加基材與底漆間的黏結(jié)和防腐作用；第二層是底漆，主要起防腐蝕作用；第三層為面漆，主要起耐紫外線、耐介質(zhì)腐蝕以及裝飾等作用。轉(zhuǎn)變層可以通過陽極氧化法、稀土轉(zhuǎn)化膜法、電沉積法、激光熔覆法等表面處理方法獲得，不僅提高了鋁及鋁合金的耐蝕性能還能為所配套的底漆形成更容易黏附的表面。底漆和面漆則是在考慮腐蝕環(huán)境以及鋁合金表面狀態(tài)的基礎(chǔ)之上進行選擇的。比如在對主體材料為鋁合金的 GIS 進行整體涂裝時，底漆可以選擇雙組分環(huán)氧通用底漆或單組分環(huán)氧底漆，面漆可選用丙烯酸聚氨酯面漆，如果輸變電設(shè)備服役于海洋性大氣環(huán)境或高原大氣環(huán)境中，就有必要采用耐候性更高的氟碳面漆。

    5 結(jié)語

    變電站鋁及鋁合金材料出現(xiàn)愈來愈多的腐蝕現(xiàn)象，常見的腐蝕部位包括 GIS 穿墻套管、電流互感器和隔離刀閘導(dǎo)電管、設(shè)備線夾等。腐蝕類型也多種多樣，有點蝕、晶間腐蝕、剝蝕、電偶腐蝕以及應(yīng)力腐蝕。因此，需要我們從服役環(huán)境的評價、選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計、防腐涂層的應(yīng)用等方面入手，加強設(shè)計、建造、運行和檢修等全過程的腐蝕防護工作，并做好腐蝕信息的整理和記錄，同時深入開展變電站鋁及鋁合金的腐蝕機理研究，構(gòu)建一整套適合變電站自身特點的腐蝕防護體系，為整個電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、健康運行提供強有力的保障。

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